DE3742102A1 - Method for controlling a heating element, and a heating element for carrying out this method - Google Patents
Method for controlling a heating element, and a heating element for carrying out this methodInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Heizelementes nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Heizelement zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Gattungsbegriff des Patentan spruchs 3.The invention relates to a method for regulating the Temperature of a heating element according to the generic term of Claim 1 and a heating element for implementation this method according to the generic term of the patent Proverbs 3
Die Erfindung befaßt sich somit mit der Temperaturerfas sung und -regelung von elektrischen Heizelementen oder Heizvorrichtungen, beispielsweise von Glühkerzen für Diesel motoren, von Heizelementen für Verdampfer oder von Keramik glühelementen oder im Aufbau ähnlichen Heizelementen, die einen Körper aus einem keramischen Isolationsmaterial (DIN 40 685) aufweisen, in den ein isolierter Heizleiter, z.B. in Form einer Heizwendel, eingebettet oder auf den der Heizleiter aufgebracht ist.The invention is therefore concerned with the temperature detection solution and control of electrical heating elements or Heating devices, for example glow plugs for diesel motors, heating elements for evaporators or ceramics incandescent elements or heating elements similar in structure, which a body made of a ceramic insulation material (DIN 40 685), into which an insulated heating conductor, e.g. in the form of a heating coil, embedded or on which the Heating conductor is applied.
Dabei kann der Körper aus einem keramischen Isolations material in Form eines gepreßten Granulats in einem Heizstab oder in Form eines Festkörpers als gebrannter Scherben, z.B. bei Keramikglühkerzen, ausgebildet sein.The body can be made of a ceramic insulation material in the form of pressed granules in a heating element or in the form of a solid as fired cullet, e.g. with ceramic glow plugs.
Es ist weiterhin bekannt, bei einer Glühkerze die Temperatur mittels eines eingebauten Thermoelementes zu erfassen. Diese Ausbildung ist technisch aufwendig und in der Auswertung der Signale mit hohen Kosten verbunden. Darüberhinaus werden Wärmeschwankungen an der Kerzenober fläche nur unzureichend erfaßt, da die Temperaturmessung über das Thermoelement nur punktuell erfolgt. Hinsichtlich der Fertigung derartiger Glühkerzen mit Thermoelement ergibt sich der Nachteil, daß die Einbettung des Thermoelementes und die Herausführung der Anschlüsse des Thermoelementes für die Serienfertigung kompliziert und mit hohen Kosten verbunden sind und zwei temperaturkompensierte Steckverbindungen sowie Ausgleichsleitungen erforderlich sind. Die Auswertung von Thermospannungen ist darüberhinaus in einer Umgebung mit Störsignalen schwierig.It is also known for a glow plug Temperature by means of a built-in thermocouple to capture. This training is technically complex and in the evaluation of the signals associated with high costs. In addition, heat fluctuations on the candle top area insufficiently recorded because the temperature measurement above the thermocouple is only selective. With regard to the Manufacture of such glow plugs with a thermocouple results the disadvantage that the embedding of the thermocouple and Leading out the connections of the thermocouple for the Series production complicated and associated with high costs are and two temperature compensated connectors as well Compensating lines are required. The evaluation of Thermal voltages is also in an environment with Interference signals difficult.
Es ist schließlich gleichfalls bekannt, die Temperatur über die Erfassung des elektrischen Stromes an Heizdrähten mit positivem Temperaturkoeffizienten zu ermitteln. Dieses Verfahren ist unzuverlässig und aufwendig, wobei die Erfassung des Stromes als Regelgröße eine aufwendige Auswerteelektronik sowie eine Temperaturkompensation der Leistungsschalter erfordert. Bei der Stromerfassung müssen weiterhin Batteriespannungsschwankungen und Kontroll- sowie Leitungswiderstände berücksichtigt werden und muß außerdem die Glühkerze mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden.Finally, the temperature is also known about the detection of electrical current on heating wires with a positive temperature coefficient. This The process is unreliable and time-consuming Recording the current as a controlled variable is a complex process Evaluation electronics and temperature compensation of the Circuit breaker requires. When capturing electricity continue battery voltage fluctuations and control as well Line resistances must be taken into account and must also the glow plug are manufactured with very tight tolerances.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren sowie ein Heizelement gemäß Gattungsbe griff des Patentanspruchs 1 bzw. 3 zu schaffen, mit dem bzw. bei dem eine zuverlässige Regelung der Temperatur bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Heizelementes möglich ist.The object underlying the invention is therefore therein, a method and a heating element according to genus handle of claim 1 or 3 to create, with or in which a reliable control of the temperature simple construction of the heating element is possible at the same time.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 3 angegeben ist.This object is achieved according to the invention by Training solved in the characterizing part of claim 1 or 3 is specified.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Heizelement wird die Widerstandsänderung des Isolationsmaterials, d.h. die rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes oberhalb einer bestimmten Tempera tur von z.B. 800°C bei MgO, ausgenutzt und erfolgt die Erfassung der Temperatur über die gesamte aufgeheizte Oberfläche des Heizelementes. Dabei wird die konstruktiv durch eine entsprechende Auslegung und Formung der Heizwendel bestimmte heißeste Stelle des Heizelementes, beispielsweise einer Glühkerze, erfaßt, und wird automatisch eine Über hitzung bestimmter Teile des Heizelementes, beispielsweise der Glühkerze, verhindert.In the method according to the invention and in the heating element according to the invention is the change in resistance the insulation material, i.e. the rapid decline of the specific resistance above a certain temperature structure of e.g. 800 ° C at MgO, used and takes place Detection of the temperature over the entire heated Surface of the heating element. This will be constructive through appropriate design and shaping of the heating coil certain hottest part of the heating element, for example a glow plug, and automatically becomes an over heating certain parts of the heating element, for example the glow plug, prevented.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine zuverlässige Temperaturregelung bei einem Heizelement, das einen ein fachen, kostengünstigen Aufbau ohne Spezialwerkstoffe hat. Es ist daher auf Heizelemente anwendbar, die in Massenfertigung hergestellt werden.The inventive method allows a reliable Temperature control with a heating element that a fold, inexpensive construction without special materials. It is therefore applicable to heating elements that are mass-produced getting produced.
In Verbindung mit elektronischen oder elektromecha nischen Steuergeräten ist dabei eine vollständige Überwachung und Regelung der Temperatur des Heizelementes möglich. Bei einer Glühkerze für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges als Heizelement ist die Erfassung der Kerzentemperatur unter allen Betriebszuständen möglich.In connection with electronic or electromecha African control units is a complete monitoring and regulation of the temperature of the heating element possible. At a glow plug for a diesel engine of a motor vehicle as a heating element, the detection of the candle temperature is below all operating conditions possible.
Insbesondere bei Stabglühkerzen wird für den Körper aus einem keramischen Isolationsmaterial MgO als Füllgranulat verwandt, dessen rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes insbesondere im Bereich zwischen 800 und 1200°C auftritt. Die Regelung der Temperatur erfolgt daher vorzugsweise bei derartigen Glühkerzen in diesem Temperaturbereich, d.h. im Betriebsbereich der Glühkerze. Dabei wird eine Temperatur von 1000+/-100°C angestrebt, bei gewissen Betriebszuständen reichen auch 800 bis 900°C. Dabei ändert sich die Sig nalspannung im angegebenen Bereich von 5 bis 95% der Betriebsspannung ohne besondere Nachverstärkung. Das Signal steht niederohmig zur Verfügung und ist somit gegenüber Störspannungen unempfindlich.Especially with glow plugs is made for the body a ceramic insulation material MgO as filling granulate related, its rapid decrease in resistivity occurs in particular in the range between 800 and 1200 ° C. The temperature is therefore preferably regulated at such glow plugs in this temperature range, i.e. in the Operating range of the glow plug. A temperature of Aimed for 1000 +/- 100 ° C in certain operating conditions range from 800 to 900 ° C. The Sig changes nominal voltage in the specified range from 5 to 95% of Operating voltage without special post-amplification. The signal is available with low resistance and is therefore opposite Immune to interference voltages.
Da MgO als ein sehr reines und gleichmäßiges Granulat vorliegt, sind sehr geringe Streuungen zu erwarten. Bei anderen keramischen Isolationsmaterialien ist das erfin dungsgemäße Verfahren gleichfalls, wenn auch unter Umständen in einem anderen Temperaturbereich, anwendbar, da die spontane Änderung des Widerstandes in Temperaturbereichen auftritt, die für die jeweiligen Isolationsmaterialien spezifisch sind.Because MgO as a very pure and uniform granulate very little scatter is to be expected. At other ceramic insulation materials procedures according to the invention likewise, although under certain circumstances in a different temperature range, applicable because the spontaneous change of resistance in temperature ranges occurs for the respective insulation materials are specific.
Keramikglühkerzen haben beispielsweise einen Glühstift aus einem Keramikmaterial wie Al2O3, Si3N4, auf den Heizlei terbahnen, beispielsweise durch Siebdruck aufgebracht und eingebrannt sind. Auch bei diesen Glühkerzen kann der Isolationswiderstand der Keramik für Meßzwecke herangezogen werden, indem in einer zentrischen Bohrung des Glühstiftes die Sensorelektrode eingebracht wird oder die Sensorelektrode als Leiterzug mit den Heizleiterbahnen aufgebracht wird. Ceramic glow plugs have, for example, a glow plug made of a ceramic material such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , on the Heizlei terbahnen, for example by screen printing and baked. With these glow plugs, too, the insulation resistance of the ceramic can be used for measuring purposes by inserting the sensor electrode in a central bore of the glow plug or by applying the sensor electrode as a conductor with the heating conductor tracks.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigenThe following are based on the associated drawing particularly preferred embodiments of the invention described. Show it
Fig. 1 in einer Schnittansicht ein erstes Ausführungs beispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze, Fig. 1 in a sectional view a first execution example of a glow plug according to the invention,
Fig. 2 in einer Schnittansicht ein zweites Ausführungs beispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze, Fig. 2 is a sectional view of a second execution of a glow plug according to the invention,
Fig. 3 in einer Schnittansicht einer Glühkerze ein Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens und Fig. 3 in a sectional view of a glow plug an example of the implementation of the method according to the invention and
Fig. 4 in einem Zeitdiagramm das Ausgangssignal eines in eine Glühkerze eingebauten Thermoelementes sowie das Ausgangssignal der Meßelektrode bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze. Fig. 4 is a timing chart, the output signal of a built in a glow plug thermocouple and the output signal of the measuring electrode in one embodiment of a glow plug according to the invention.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze umfaßt einen Körper 11 aus einem keramischen Isolationsmaterial, in den eine Heizwendel 3 eingebettet ist, die über ein Schaltelement 5 mit einer Spannungsquelle, beispielsweise der Batterie 6 eines Fahrzeuges, verbunden ist. Das äußere metallische Gehäuse der Glühkerze liegt an Masse 7. Elektrisch gegenüber der Heizwendel 3 isoliert, sind zwei Elektroden 1, 2 in den keramischen Körper 11 eingebettet. Die Ausgangssignale dieser beiden Elektroden liegen an einem Widerstandsmeßgerät 4, das nach einem bekannten Widerstandsmeßverfahren arbeitet.The embodiment shown in Fig. 1 of a glow plug according to the invention comprises a body 11 made of a ceramic insulation material, in which a heating coil 3 is embedded, which is connected via a switching element 5 to a voltage source, for example the battery 6 of a vehicle. The outer metallic housing of the glow plug is connected to ground 7 . Electrically insulated from the heating coil 3 , two electrodes 1 , 2 are embedded in the ceramic body 11 . The output signals of these two electrodes are applied to a resistance measuring device 4 , which works according to a known resistance measuring method.
Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze kommt mit einer einzigen Elektrode 8 aus, die wiederum elektrisch gegenüber der Heizwendel 3 isoliert in den keramischen Körper 11 eingebet tet ist. Die Elektrode 8 steht mit einem Widerstandsmeßgerät 4 in Verbindung, dessen zweiter Anschluß an Masse liegt. Die Widerstandsmessung erfolgt wieder nach einem an sich bekannten Verfahren.The second exemplary embodiment of a glow plug according to the invention shown in FIG. 2 manages with a single electrode 8 , which in turn is embedded in the ceramic body 11 in an electrically insulated manner from the heating coil 3 . The electrode 8 is connected to a resistance measuring device 4 , the second connection of which is connected to ground. The resistance measurement is again carried out according to a method known per se.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Glühkerze handelt es sich um eine zweipolige Ausführung, bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine separate Elektrode eingebaut werden muß. Bei einer derartigen Glühkerze wird über die Heizwendel 3 gemessen, die mit dem Widerstandsmeßge rät 4 verbunden ist, sowie über einen Schalter 9 an Masse liegt. Der zweite Pol 10 ist wiederum über einen Schalter 5 mit der Batterie 6 des Fahrzeuges verbunden.The glow plug shown in FIG. 3 is a two-pole version, in which no separate electrode has to be installed in order to carry out the method according to the invention. In such a glow plug is measured via the heating coil 3 , which is connected to the resistance measuring device 4 , and is connected to ground via a switch 9 . The second pole 10 is in turn connected to the battery 6 of the vehicle via a switch 5 .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Temperatur messung die Widerstandsänderung der keramischen Isolationsma terialien ausgenutzt, aus denen der Körper der Heizelemente besteht, in den die Heizwendel eingebettet oder auf den der Heizwendel aufgebracht ist. Oberhalb von 800°C tritt bei keramischen Isolationsmaterialien, beispielsweise bei MgO eine rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes auf, was zur Ermittlung der Kerzentemperatur ausgenutzt werden kann. Durch die stark ausgeprägte Widerstandsänderung gerade im interessierenden Bereich zwischen 800 und 1200°C und durch die einfache und robuste Ausführung der Heizelemente eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Heizelement insbesondere bei Glühanlagen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen.In the process according to the invention, temperature becomes measurement the change in resistance of the ceramic insulation measure exploited materials that make up the body of the heating elements exists in which the heating coil is embedded or on which Heating coil is applied. Occurs above 800 ° C ceramic insulation materials, for example MgO a rapid decrease in resistivity on what can be used to determine the candle temperature. Due to the pronounced change in resistance, especially in area of interest between 800 and 1200 ° C and through the simple and robust design of the heating elements the inventive method and the inventive Heating element in particular for glow systems for diesel engines of motor vehicles.
Fig. 4 zeigt in einem Zeitdiagramm die Meßkurve Y 1 für ein Thermoelement, das in eine Glühkerze eingebaut ist, d. h. das Ausgangssignal dieses Thermoelementes, sowie die Meßkurve Y 2 bei einem erfindungsgemäßen Heizelement, d.h. das Ausgangssignal der Meßelektrode, und zwar als Spannungsabfall über einem in Reihe zur Meßelektrode geschalteten Vor widerstand. Aus dieser graphischen Darstellung ist die starke Änderung des Ausgangssignals der Meßelektrode bei dem erfindungsgemäßen Heizelement, die zur Regelung gemäß der Erfindung ausgenutzt wird, im interessierenden Bereich zwischen 800 und 1200°C erkennbar. Fig. 4 shows in a time diagram the measurement curve Y 1 for a thermocouple that is installed in a glow plug, ie the output signal of this thermocouple, and the measurement curve Y 2 in a heating element according to the invention, ie the output signal of the measuring electrode, as a voltage drop across a connected in series to the measuring electrode before resistance. From this graphic representation, the strong change in the output signal of the measuring electrode in the heating element according to the invention, which is used for control according to the invention, can be seen in the region of interest between 800 and 1200 ° C.
Im folgenden sei anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Arbeitsweise beim erfindungsgemäßen Verfahren im einzelnen beschrieben. Die in Fig. 2 dargestell te Glühkerze wird über das geschlossene Schaltelement 5, das aus einem mechanischen oder elektronischen Schalter bestehen kann, aufgeheizt. Nach einer zeitlich bestimmten Aufheizphase wird zur Temperaturmessung der Versorgungsstrom in kurzzeiti gen Abständen unterbrochen. Der Widerstand der die Meßelek trode 8 umgebenden keramischen Masse kann nun über das angeschlossene Widerstandsmeßgerät 4 bestimmt und zur Regelung der Temperatur der Glühkerze herangezogen werden. Der Isolationswiderstand kann bei abgeschalteter Glühkerzen heizung, d.h. in den Taktpausen, gemessen werden. Würde er bei eingeschalteter Heizung gemessen, dann würde der Spannungsabfall auf der Heizwendel mit in den Meßwert eingehen, je nachdem, wo die heißeste Stelle gerade liegt. Bei einem getakteten Heizbetrieb ergibt sich auf der Sensorausgangsleitung damit ein pulsierendes Signal, das zusätzlich auch dazu verwendet werden kann, festzustellen, ob die Sensorausgangsleitung noch mit der Regelschaltung verbunden ist. Dadurch ist eine Eigendiagnose auf Drahtbruch usw. möglich.The mode of operation in the method according to the invention is described in detail below with reference to the exemplary embodiment shown in FIG. 2. The glow plug shown in FIG. 2 is heated via the closed switching element 5 , which may consist of a mechanical or electronic switch. After a time-specific heating phase, the supply current is interrupted at short intervals for temperature measurement. The resistance of the measuring electrode 8 surrounding ceramic mass can now be determined via the connected resistance measuring device 4 and used to regulate the temperature of the glow plug. The insulation resistance can be measured when the glow plugs are switched off, ie during the cycle breaks. If it were measured with the heating switched on, the voltage drop on the heating coil would be included in the measured value, depending on where the hottest point is. In pulsed heating operation, a pulsating signal results on the sensor output line, which can also be used to determine whether the sensor output line is still connected to the control circuit. This enables self-diagnosis for wire breaks etc.
Die Meßelektroden selbst sind der jeweiligen Heiz- oder Glühtemperatur ausgesetzt und dementsprechend temperaturbe ständig ausgebildet.The measuring electrodes themselves are the respective heating or Exposed to the annealing temperature and accordingly temperature constantly trained.
Wenn bei einem konkreten Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine sehr schnelle Aufheizung innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 2 Sekunden gefordert ist, ist es von Vorteil, wenn anfangs ein sehr hoher Strom von z.B. 40 A fließt, der sich bei Erwärmung selbst beispielsweise auf 20 A reduziert. Die weitere Regelung erfolgte dann durch den genannten Taktbetrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der Sensorelektrode zur Messung des Isolationswiderstandes.If with a concrete application example of the inventive method a very quick heating within a time interval of less than 2 seconds is required, it is advantageous if initially a very high current of e.g. 40 A flows when heated even reduced to 20 A, for example. The further one Regulation then took place through the cycle operation mentioned the inventive method using the Sensor electrode for measuring the insulation resistance.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Temperaturregelung von Heizelementen sehr genau bei niedrigem Aufwand erfolgen kann. Bei Glühkerzen ergibt sich der Vorteil, daß die Dieselmotoren, bei denen derartige Glühker zen eingesetzt werden, mit geregelter Glühtemperatur schnell startbar sind, daß die Möglichkeit des Nachglühens in den laufenden Motor bei jedem Betriebszustand möglich ist und daß die Kerzentemperatur für jeden Zylinder einzeln regelbar ist. Durch den Schutz vor einer Überhitzung erhöht sich weiterhin die Kerzenlebensdauer.The inventive method has the advantage that the Temperature control of heating elements very precisely at low Effort can be made. With glow plugs, this results Advantage that the diesel engines in which such glow plug zen can be used quickly with a controlled annealing temperature are startable that the possibility of afterglow in the running engine is possible in any operating condition and that the candle temperature for each cylinder individually adjustable is. Protection against overheating increases the candle life continues.
Aufgrund des unempfindlichen Aufbaus des Heizelementes, der bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist und der genauen Ableitung der Regelgrößen ergibt sich eine hohe Störungssicherheit mit hoher Regelgenauigkeit, auch unter physikalisch erschwerten Bedingungen.Due to the insensitive structure of the heating element, when using the method according to the invention is possible and results in the exact derivation of the controlled variables a high level of interference security with high control accuracy, even under physically difficult conditions.
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